CN102926984A - 一种浮动式往复压缩机故障模拟实验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮动式往复压缩机故障模拟实验台。该实验台主体结构包括上、下层框架，弹性支撑、刚性支撑；上层框架用于固定往复压缩机与驱动机，下层框架直接与地面固定，或者固定于海上采油平台钢架上；采用弹性支撑与刚性立柱支撑组合方式组成实验台支撑架构，弹性支撑选用弹簧或液压系统，刚性支撑则采用立柱支撑，立柱采用正反扣螺纹结构，高度可调，可改变弹性支撑的受力状态，以实现实验台支撑刚度的改变。立柱支撑采用自锁结构，弹性支撑安装有导向柱。本发明不仅可用于往复压缩机，其关键技术还可用于海洋平台上的其他大型、关键动设备设计、加工、安装，用以解决海洋平台大型动设备故障诊断与支撑结构设计难题。

Description

一种浮动式往复压缩机故障模拟实验台

技术领域

本发明涉及一种浮动式往复压缩机故障模拟实验台，用于模拟海洋平台往复压缩机工作环境，进行往复压缩机故障模拟实验研究。

背景技术

海洋采油平台在海洋波浪、海流和风载荷的作用下，将出现动力响应，工作在平台上的往复压缩机、机泵等设备将因此处于浮动的基座上，与陆地炼化企业固定在坚固地基上的机组有着显著区别；这种工作状态的变化将会导致往复压缩机出现不同故障，如不平衡、不对中、基础松动等。

目前对往复压缩机故障原理及实验模拟的研究主要集中于坚固地基上的往复压缩机，而对海洋采油平台上工作的往复压缩机研究较少；因此，搭建一个能够有效模拟海洋采油平台的往复压缩机实验基座，并对在此基座上工作的往复压缩机常见故障进行研究显得尤为必要，而国内外尚无这样的实验平台。

发明内容

本发明涉及一种浮动式往复压缩机故障模拟实验台，该实验台模拟海洋平台往复压缩机工作环境，可对不同支撑刚度下往复压缩机工作状态以及典型故障进行模拟分析。该实验台采用模块化加工、整体焊接方式，选用力学性能优良的角钢构建实验台整体框架；采用弹性支撑与刚性立柱支撑组合方式组成实验台支撑架构，弹性支撑选用弹簧或液压系统，刚性支撑则采用立柱支撑，立柱采用正反扣螺纹结构，高度可调，可改变弹性支撑的受力状态，以实现实验台支撑刚度的改变。立柱支撑采用自锁结构，保证了刚性支撑的稳定性与可靠性，弹性支撑亦安装有导向柱，与承重的刚性立柱一起承受横向载荷，防止实验台横向倾覆。本实验台通过人工改变刚性支撑立柱的高度，控制弹性支撑的受力状态，模拟出不同支撑状态，用以研究不同支撑刚度状态下的往复压缩机运行特征，并进行故障模拟实验，直接指导海洋平台往复压缩机故障诊断及支撑结构设计。

一种浮动式往复压缩机故障模拟实验台，该实验台模拟海上采油平台往复压缩机工作环境，其特征在于包括以下方面：

1)实验台主体结构包括上、下层框架，弹性支撑、刚性支撑；

实验台整体框架分为上、下两层，上层框架用于固定往复压缩机与驱动机，下层框架采用固定连接方式，直接与地面固定，或者固定于海上采油平台钢架上；

2)使用弹性与刚性支撑配合的组合支撑方式，刚性支撑立柱采用正反扣螺纹结构；

上下层框架之间使用弹性支撑与刚性支撑配合的组合支撑方式，弹性支撑与刚性支撑布置在实验台重要受力点，弹性支撑采用液压或弹簧结构，刚性支撑采用刚性立柱结构；刚性立柱由上、下两根螺柱，中间调整螺母以及3个锁紧螺母组成，从上至下依次为顶端锁紧螺母、上螺柱、代表上螺柱锁紧螺母、中间调整螺母、下螺柱锁紧螺母、下螺柱，上、下螺柱螺纹旋向相反；上螺柱通过顶层锁紧螺母与上层框架结构固定，下螺柱则依靠螺栓固定在底层框架结构上；

由于采用了正反扣螺纹结构，随着中间调整螺母的左旋或右旋转动，上、下螺柱分别受向外的推力或向内拉力，从而带动实验台的抬升与下降，当立柱完全受力时模拟完全的刚性支撑，当立柱高度逐渐降低，弹簧受到压力，实验台刚度降低，柔性增加，直至降低到完全由弹性支撑承重，实验台可模拟完全柔性支撑的工作环境，上述调整过程可实现浮动式实验台的设计要求；

由于上、下螺柱螺纹旋向相反，上下螺柱的锁紧螺母受力始终相反，起到了自锁作用，需要强调的是，在推动中间运动螺母运动前，需要松动3个锁紧螺母，其中上、下螺柱锁紧螺母为限制中间运动螺母位置，螺纹方向相反，顶层锁紧螺母用于压紧上层框架与上螺柱；

3)弹性支撑设计有导向结构，与刚性立柱一起承受横向载荷，防止实验台横向倾覆；对弹簧结构，采用导向柱方式：弹簧固定于上、下弹簧座之间，导向柱放在弹簧内，导向柱分别与上、下弹簧座配合；

对液压结构，将液压装置固定于下底座凹形孔内，下底座凹形孔内壁开有便于液压结构高度调节的缺口，上、下底座相互嵌套、间隙配合，从而形成导向结构。

本发明不仅可用于往复压缩机，其关键技术还可用于海洋平台上的其他大型、关键动设备，如外输油泵，燃气发动机的故障模拟实验台设计、加工、安装，用以解决海洋平台大型动设备故障诊断与支撑结构设计难题。

附图说明

图1是本发明外形整体结构图；

图2是本发明立柱结构图；

图3是本发明弹簧支撑结构图；

图4是本发明液压支撑结构图；

图5是本实施实例选用的往复压缩机外形图；

图6是本实施实例最终效果示意图。

具体实施方式

下面具体结合附图与实例对本发明作进一步的说明。

本发明实施过程主要由4大部分组成，详细的步骤如下。

(1)测绘往复压缩机整体外形尺寸，包括长、宽、高，以及需与实验台配合部件的外形结构尺寸，确定实验台受力承重情况；

使用的往复压缩机为DW-12/2型无润滑空气压缩机，机体总长4208mm，总宽2292mm，总高2300mm，重量5t(含电机)左右，如图5所示。

(2)确定实验台整体外形结构与尺寸；

设计基座整体长4490mm，宽2550，高873.5mm，选择类T字形外形结构，用于安装压缩机本体和驱动电机；考虑到框架的承重能力、弯曲变形要求，选择角钢作为框架结构材质，角钢型号为180/11。

实验台整体框架分为上下两层，下层直接与地面固定，上下层框架之间使用弹性支撑与刚性支撑配合的组合支撑方式，通过9组弹簧以及10个可调高立柱支撑连接；以实现浮动式实验台的设计初衷；如图1所示，1代表上层框架，2代表下层框架，3代表弹性支撑元件，4代表刚性支撑元件。

刚性支撑采用立柱支撑，立柱高度可调，以调整实验台整体受力，如图2所示，5代表顶端锁紧螺母，6代表上螺柱，7代表上螺柱锁紧螺母，8代表中间调整螺母，9代表下螺柱锁紧螺母，10代表下螺柱,11代表螺栓。上、下螺柱螺纹旋向相反，螺纹具体尺寸根据实验台受力状态计算所得。弹性支撑采用液压或弹簧结构，如图3、图4所示，11代表上弹簧座，12代表弹簧，13代表导向柱，14代表下弹簧座，15代表液压装置，16代表上底座，17代表下底座凹形孔内壁的缺口，19代表下底座。

当立柱完全受力时则模拟完全的刚性支撑，当立柱高度逐渐降低，弹簧受到压力，实验台刚度降低，柔性增加，直至降低到完全由弹性支撑承重，实验台可模拟完全柔性支撑的工作环境。

(3)选择实验台各部件加工材料；

角钢型号：180×110×16mm。

弹簧：中径260mm，弹簧丝直径35mm，节距80mm，有效圈数3圈，自由高度292.5mm，

材料选用弹簧钢65Mn，共9组弹簧。

上下立柱分为两种类型，粗立柱及细立柱，材料选用45钢。

粗立柱：直径100mm，螺纹规格M100，细牙，螺距为3，强度等级8.8级，共4组。

细立柱：直径56mm，螺纹规格M56，细牙，螺距为3，强度等级，8.8级，共5组。

(4)设计实验台关键部件结构；

上层角钢框架内通过拉两条横向角钢，角钢平面上焊钢板、压缩机底座垫块并钻孔，通过螺栓固定压缩机，钢板中心铣出曲轴箱大小的方形孔，使得下凸的曲轴箱落于基座平面以下，同样，在框架的两端各拉两条角钢，并在角钢侧面焊接一个下凹的角钢框架，压缩机进排气缸固定在下凹的角钢框架内，这样，压缩机的整个重量作用于第一层框架上。与压缩机配套的电机固定在与压缩机同平面的钢板上部，钢板上钻腰型孔，安装时可以调节电机与压缩机的轴向距离。这样的第一层结构设计是根据往复压缩机外形结构和基座受力分析所确定的。

下层框架也由角钢焊接而成，利用地脚螺栓与地基固定。弹簧的固定装置由一组带有内导向杆与外导向筒的上下弹簧底座构成，上弹簧底座与上层框架角钢通过螺栓连接，下弹簧底座与下层框架角钢通过螺栓连接。为了加强弹簧固定装置的连接强度，在角钢上焊接20mm厚的钢板，然后通过与钢板的螺纹连接间接的将上下弹簧底座固定在上下层框架角钢上，在焊接钢板时可以按需要在框架空隙处拉角钢提供焊接位置。

9个可调高立柱与机械式千斤顶作用类似，调节螺母通过正反扣连接上下端立柱，下端立柱焊接法兰盘并通过螺栓固定于框架角钢上。同样，通过在角钢上焊接钢板加强下立柱与角钢的螺纹连接强度，上立柱是带有台阶的轴，它的上端穿过上层框架角钢的圆孔，这样上层框架均由9个立柱的台阶支撑，上立柱的上轴端攻螺纹，带有螺母。螺母可以将上层框架与立柱台阶锁紧。

(5)关键部件设计强度校核；

弹簧校核：

①已知数据：

根据弹簧标准型号选择：中径D=260mm，弹簧丝直径d=35mm，切变模量G=80000Mpa，外径D₂=295mm，内径D₁=225mm，节距P=80mm，工作圈数(有效圈数)n=3，总圈数n₁=n+2=5，自由高度H₀=292.5mm。

振动时最大合力取7.8t,最小合力取6.8t。

②基本数据计算:

旋绕比：c=D/d得c=7.43曲度系数： $K=\frac{4c-1}{4c-4}+\frac{0.615}{c}$ 得K=1.20

总刚度： $k=\frac{\mathrm{Gd}}{{8\mathrm{nc}}^3}=284.4N/\mathrm{mm}$ 螺旋角： $\mathrm{\α}=\arctan \frac{p}{\mathrm{\πD}},$ 得α=5.6°

展开长度： $L=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{Dm}}_1}{\cos \mathrm{\α}}$ 得L=4101.57mm

质量：m_s=πd²Lγ/4得m_s=30.37kg

其中：

c-旋绕比	p-节距
		D-弹簧中径	L-展开长度
d-弹簧丝直径	n2-弹簧总圈数
		K-曲度系数	α-螺旋角
k-弹簧总刚度	G-切变模量
		n-弹簧工作时有效圈数	γ-弹簧密度，取7700kg/m3

③验算稳定性：

长细比较大的弹簧，轴向载荷达到一定程度就会产生测向弯曲而失去稳定，为保证使用稳定，一般弹簧的长细比应按下列情况选取：

两端固定b＜5.4；一端固定，另一端回转b＜3.7；两端回转b＜2.6。计算弹簧长细比：b=H₀/D得b=312.5/260=1.2

其中：H₀-弹簧自由高度；

D-弹簧中经；

基座设计中的压缩弹簧，工作情况为两端固定，而b=1.2＜5.4，故稳定性符合要求。

④疲劳强度验算：

由于此设计中弹簧受变载荷次数较多，所以要进行疲劳强度验算疲劳强度安全系数计算公式为：

$S=\frac{{\mathrm{\τ}}_0+0.75{\mathrm{\τ}}_{\min }}{{\mathrm{\τ}}_{\max }}>\left[S\right]$

其中：S-计算得安全系数

[S]-许用安全系数

τ₀-弹簧材料的脉动疲劳极限(此设计中弹簧工作条件为I类，制造材料为65Mn弹簧钢，轧材，取N=10⁷时，查表得τ₀＝[τ_p]_I=412Mpa)

τ_max、τ_min-由最大工作载荷和最小工作载荷产生的切应力，按下式计算：

${\mathrm{\τ}}_{\max }=\frac{8\mathrm{KD}}{{\mathrm{\πd}}^3}{F}_2$

${\mathrm{\τ}}_{\min }=\frac{8\mathrm{KD}}{{\mathrm{\πd}}^3}{F}_1$

$F_1=\frac{6800}{9}\×9.8=7404.4N,$

$F_2=\frac{7800}{9}\×9.8=8493.3N$

${\mathrm{\τ}}_{\min }=\frac{8\mathrm{KD}}{{\mathrm{\πd}}^3}{F}_1=137.27\mathrm{Mpa}$

${\mathrm{\τ}}_{\max }=\frac{8\mathrm{KD}}{{\mathrm{\πd}}^3}{F}_2=157.47\mathrm{Mpa}$

其中：F₁-最小工作载荷

F₂-最大工作载荷

则 $S=\frac{{\mathrm{\τ}}_0+0.75{\mathrm{\τ}}_{\min }}{{\mathrm{\τ}}_{\max }}=3.27>\left[S\right]=1.3-1.7,$ 故弹簧疲劳强度符合要求。

⑤变形量计算：

静变形量 ${\mathrm{\λ}}_0=\frac{F_0}{k}=27.9\mathrm{mm}$

最大变形量 ${\mathrm{\λ}}_{\max }=\frac{F_2}{k}=26.0\mathrm{mm}$

最小变形量 ${\mathrm{\λ}}_{\min }=\frac{F_1}{k}=29.9\mathrm{mm}$

其中：k-弹簧总刚度

可调立柱校核：

①已知基本条件：

粗立柱为M100的普通细牙螺纹，螺距为3mm,材料为45号钢。

细立柱为M56的普通细牙螺纹，螺距为3mm,材料为45号钢。

受力最大为7.8t，最小为6.8t。

②校核计算：

由材料为45号钢，查表得:

抗拉强度σ_b=610Mpa，屈服极限强度σ_s=360Mpa

根据立柱的工作环境，安全系数S取12.5，则许用应力

[σ]＝σ_s/S=28.8Mpa

而单根立柱受最大压力为7.8/9=0.867吨，根据公式： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ca}}=\frac{1.3F}{\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2}$

其中σ_ca-计算应力

F-螺纹受力

d-螺纹中径

M100的粗立柱： ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ca}}=\frac{1.3\&times;867\&times;9.8}{\mathrm{\&pi;}/4\&times;{0.1}^2}=1.41\mathrm{Mpa}<\left[\mathrm{\&sigma;}\right]=28.8\mathrm{Mpa},$ 故立柱安全。

M56的细立柱： ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ca}}=\frac{1.3\&times;867\&times;9.8}{\mathrm{\&pi;}/4\&times;{0.056}^2}=4.49\mathrm{Mpa}<\left[\mathrm{\&sigma;}\right]=28.8\mathrm{Mpa},$ 故立柱安全。

查机械设计手册第五册第二卷，表5-1-70可知：M39螺纹保证载荷为618000N，基座实验台每个立柱最大受力为70000/8=8750N,在M39螺栓保证载荷范围内。

综上可知：实验台选择M56、M100的螺纹立柱，强度满足。

(6)关键部件外形、尺寸校核

经过强度校核，实验台关键结构与材质均满足使用需要，下一步需根据往复压缩机及其附属设备结构尺寸对实验台关键部件外形、尺寸进行校核。

(7)设计图纸审查校核

经过上述设计过程，该实验台设计图纸已经准备就绪，下一步是关键的图纸审查校核阶段。经过反复校核，及时修改加工图纸中存在的问题和错误，为实验台加工做好准备。

(8)完成实验台加工与搭建

实验台加工图纸审查校核无误后，联系加工厂进行实验台加工。采用模块化加工，整体焊接技术，经过1个月时间，实验台整体已加工完毕。经过安装与调试，最终形成了实际应用的往复压缩机浮动式故障模拟实验台，如图6所示。

Claims (1)

1.一种浮动式往复压缩机故障模拟实验台，其特征在于：

1) 实验台主体结构包括上、下层框架，弹性支撑、刚性支撑；

实验台整体框架分为上、下两层，上层框架用于固定往复压缩机与驱动机，下层框架采用固定连接方式，直接与地面固定，或者固定于海上采油平台钢架上；

2）使用弹性与刚性支撑配合的组合支撑方式，刚性支撑立柱采用正反扣螺纹结构；

上下层框架之间使用弹性支撑与刚性支撑配合的组合支撑方式，弹性支撑与刚性支撑布置在实验台重要受力点，弹性支撑采用液压或弹簧结构，刚性支撑采用刚性立柱结构；刚性立柱由上、下两根螺柱，中间调整螺母以及3个锁紧螺母组成，从上至下依次为顶端锁紧螺母、上螺柱、代表上螺柱锁紧螺母、中间调整螺母、下螺柱锁紧螺母、下螺柱，上、下螺柱螺纹旋向相反；上螺柱通过顶层锁紧螺母与上层框架结构固定，下螺柱则依靠螺栓固定在底层框架结构上；

3）弹性支撑设计有导向结构，与刚性立柱一起承受横向载荷，防止实验台横向倾覆；

对弹簧结构，采用导向柱方式：弹簧固定于上、下弹簧座之间，导向柱放在弹簧内，导向柱分别与上、下弹簧座配合；

对液压结构，将液压装置固定于下底座凹形孔内，下底座凹形孔内壁开有便于液压结构高度调节的缺口，上、下底座相互嵌套、间隙配合，从而形成导向结构。

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